BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian ("Rynek Energii" - październik 2015) Słowa kluczowe: ogniwa fotowoltaiczne, wydajność, barwniki metaloorganiczne, ditlenek tytanu Streszczenie. Praca jest poświęcona zagadnieniu barwnikowych ogniw fotowoltaicznych – ich budowie, sposo- bie wytwarzania, charakterystyce oraz zastosowaniu. W przeciwieństwie do popularnych na rynku paneli krze- mowych monokrystalicznych oraz polikrystalicznych, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne oparte są na techno- logii bezkrzemowej, na nowych materiałach funkcjonalnych, takich jak np. nanocząstki metali i tlenków metali, barwniki organiczne czy polimery przewodzące. Ogniwa barwnikowe nie wymagają zaawansowanej technologii wytwarzania czy zachowania wysokiej czystości powietrza podczas procesu produkcyjnego, a możliwość stero- wania ich kolorem czy przezroczystością pozwala na szerokie zastosowanie ogniw tego typu, np. jako po- wierzchni zaciemniającej, integrację z fasadą budynku czy jako elementu dekoracyjnego. 1. WSTĘP Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego opiera się na koncepcji rozdzielenia ładunków na granicy faz dwóch materiałów o różnym charakterze przewodnictwa. Dotychczas obszar ten był zdominowany przez urządzenia ze złączami wykonanymi z materiałów nieorganicznych, głównie z krzemu. W ostatnim okresie układom nieorganicznym wyzwanie rzuca tzw. foto- woltaika trzeciej generacji oparta o nowe materiały funkcjonalne – polimery przewodzące, nanorurki węglowe czy nanocząstki metali i tlenków metali . Wśród wielu rodzajów ogniw fotowoltaicznych nowej generacji, m.in. wykorzystujących kropki kwantowe, polimery prze- wodzące czy małocząsteczkowe związki organiczne, na rynku komercyjnym coraz częściej pojawiają się ogniwa z warstwą tl enku metalu nasączonego barwnikiem zwane barwnikowy- mi ogniwami słonecznymi. Barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne (DSSC, ang. dye-sensitized solar cells), nazywane często od nazwiska profesora prowadzącego pionierskie badania w tej dziedzinie ogniwami Grät zela, cieszą się coraz szerszym zainteresowaniem ze względu na ich potencjał niskokosztowej konwersji promieniowania słoneczne-go na energię elektryczną [1]. W porównaniu do ogniw krzemowych, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne wytwarzane są z tańszych materiałów o niskiej czystości, bezpiecznych dla środowiska naturalnego. Obecnie maksymalne wydajności tego typu ogniw osiągają 13%, a szacowany na podstawie badań stabilności czas życia w wa- runkach eksploatacyjnych wynosi do 10 lat [2]. Biorąc pod uwagę wydajność, barwnikowe ogniwo nie może niestety równać się z tradycyjnym ogniwem krzemowym, ale jego zalety jednoznacznie przemawiają za rozpowszechnieniem tego typu urządzeń na rynku. Do najczęściej wymienianych zalet barwnikowych ogniw słonecznych należą [3-5]:
18
Embed
BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE - cire.pl · nanorurki węglowe czy nanocząstki metali i tlenków metali. Wśród wielu rodzajów ogniw fotowoltaicznych nowej generacji, m.in. wykorzystujących
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BARWNIKOWE OGNIWA SŁONECZNE
Autorzy: Katarzyna Siuzdak, Maciej Klein, Kamil Łapiński, Adam Cenian
("Rynek Energii" - październik 2015)
Słowa kluczowe: ogniwa fotowoltaiczne, wydajność, barwniki metaloorganiczne, ditlenek tytanu
Streszczenie. Praca jest poświęcona zagadnieniu barwnikowych ogniw fotowoltaicznych – ich budowie, sposo-
bie wytwarzania, charakterystyce oraz zastosowaniu. W przeciwieństwie do popularnych na rynku paneli krze-
mowych monokrystalicznych oraz polikrystalicznych, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne oparte są na techno-
logii bezkrzemowej, na nowych materiałach funkcjonalnych, takich jak np. nanocząstki metali i tlenków metali,
barwniki organiczne czy polimery przewodzące. Ogniwa barwnikowe nie wymagają zaawansowanej technologii
wytwarzania czy zachowania wysokiej czystości powietrza podczas procesu produkcyjnego, a możliwość stero-
wania ich kolorem czy przezroczystością pozwala na szerokie zastosowanie ogniw tego typu, np. jako po-
wierzchni zaciemniającej, integrację z fasadą budynku czy jako elementu dekoracyjnego.
1. WSTĘP
Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego opiera się na koncepcji rozdzielenia ładunków na
granicy faz dwóch materiałów o różnym charakterze przewodnictwa. Dotychczas obszar ten
był zdominowany przez urządzenia ze złączami wykonanymi z materiałów nieorganicznych,
głównie z krzemu. W ostatnim okresie układom nieorganicznym wyzwanie rzuca tzw. foto-
woltaika trzeciej generacji oparta o nowe materiały funkcjonalne – polimery przewodzące,
nanorurki węglowe czy nanocząstki metali i tlenków metali. Wśród wielu rodzajów ogniw
fotowoltaicznych nowej generacji, m.in. wykorzystujących kropki kwantowe, polimery prze-
wodzące czy małocząsteczkowe związki organiczne, na rynku komercyjnym coraz częściej
pojawiają się ogniwa z warstwą tlenku metalu nasączonego barwnikiem zwane barwnikowy-
mi ogniwami słonecznymi.
Barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne (DSSC, ang. dye-sensitized solar cells), nazywane często
od nazwiska profesora prowadzącego pionierskie badania w tej dziedzinie ogniwami Grätzela,
cieszą się coraz szerszym zainteresowaniem ze względu na ich potencjał niskokosztowej
konwersji promieniowania słoneczne-go na energię elektryczną [1]. W porównaniu do ogniw
krzemowych, barwnikowe ogniwa fotowoltaiczne wytwarzane są z tańszych materiałów o
niskiej czystości, bezpiecznych dla środowiska naturalnego. Obecnie maksymalne wydajności
tego typu ogniw osiągają 13%, a szacowany na podstawie badań stabilności czas życia w wa-
runkach eksploatacyjnych wynosi do 10 lat [2]. Biorąc pod uwagę wydajność, barwnikowe
ogniwo nie może niestety równać się z tradycyjnym ogniwem krzemowym, ale jego zalety
jednoznacznie przemawiają za rozpowszechnieniem tego typu urządzeń na rynku.
Do najczęściej wymienianych zalet barwnikowych ogniw słonecznych należą [3-5]:
a) niski koszt - ogniwa DSSC wytwarzane są z ogólnodostępnych i tanich materiałów, a ich
koszty produkcji są stosunkowo niewielkie w porównaniu do ogniw półprzewodniko-
wych – głównie ze względu na małą energochłonność procesu produkcji oraz podstawowe
warunki laboratoryjne.
b) dobry stosunek wydajności do ceny - ogniwa DSSC charakteryzują się rozbudowaną
nanostrukturą, co ułatwia absorbcję fotonów promieniowania słonecznego. Ponadto,
barwniki stosowane w ogniwach wydajnie konwertują energię fotonów na ładunek elek-
tryczny. Mimo, że wydajność ogniw DSSC jest niższa od ogniw pierwszej czy drugiej ge-
neracji, to sam stosunek osiąganej wydajności fotokonwersji do ceny jest znacznie wyższy
dla DSSC. Fakt ten zdecydowanie przemawia, z ekonomicznego punktu widzenia, za
wzrostem udziału tego typu ogniw w powiększającym się rynku energii odnawialnej,
szczególnie w zakresie mikro i małych instalacji PV.
c) zdolność do pracy przy szerokim kącie padania światła oraz przy niskim natężeniu
promieniowania - barwniki wykorzystywane do budowy ogniw DSSC mogą absorbować
światło rozproszone oraz promieniowanie fluorescencyjne. Ogniwo barwnikowe może
pracować bez znacznego obniżenia wydajności również przy zachmurzeniu czy słabym
oświetleniu, podczas gdy tradycyjne ogniwa zawodzą przy znacznym spadku natężenia
promieniowania. Dzięki temu DSSC mogą stanowić źródło prądu dla niewielkich urzą-
dzeń wewnątrz budynków. Dodatkowo, mogą one pracować pod wpływem promieniowa-
nia rozproszonego.
d) żywotność - w przeciwieństwie do ogniw z krzemu amorficznego, ogniwa DSSC nie
ulegają degradacji przy dużych natężeniach światła.
e) wytrzymałość mechaniczna - dzięki swojej budowie ogniwa DSSC są odporne na
uszkodzenia mechaniczne oraz niekorzystne warunki atmosferyczne, takie jak np. opady
gradu. Ponadto, ogniwa barwnikowe mogą być wytwarzane na podłożach elastycznych.
f) mniejsza ilość wytwarzanego CO2 podczas produkcji ogniwa barwnikowego - proces
produkcji barwnikowego ogniwa słonecznego charakteryzuje się znacznie mniejszą emi-
sją CO2 w porównaniu do wytwarzania ogniwa krzemo-wego. Emisja CO2 podczas całego
procesu produkcyjnego wynosi około 7 g CO2/kWh. Co ważne, wytwarzanie CO2 wystę-
puje tylko w trakcie procesu produkcji tych ogniw, zaś w trakcie użytkowania emisja jest
zerowa.
g) krótki okres zwrotu energii zużytej na wyprodukowanie pojedynczego modułu DSSC
(ang. Energy Payback Time). Wynosi on jedynie 0,3 roku. Dla porównania, dla ogniw
krzemowych czas ten oscyluje w granicach 2 lat w zależności od rodzaju (patrz Rys. 1).
Rys. 1. Porównanie czasu zwrotu energii różnych paneli [6-7]
h) możliwość zmiany koloru i przezroczystości -kontrolowanie koloru ogniwa i jego prze-
zroczystości jest możliwe dzięki wyborowi odpowiedniego barwnika oraz rozmiaru czą-
stek tlenku metalu wykorzystywanego do wytwarzania fotoelektrody. Współpraca między
naukowcami, a projektantami doprowadziła do opracowanie wielu interesujących kształ-
tów ogniwa. Powstały prototypy ogniw w formie m.in. liści, kwiatów czy wielokoloro-
wych witraży. Przezroczystość zwiększa dodatkowo pole zastosowań ogniwa DSSC
(okna, świetliki).
Poza wieloma zaletami, ogniwa DSSC mają również kilka wad. Główną wadą jest zastoso-
wanie ciekłego elektrolitu, który jest wrażliwy na warunki termiczne. W niskich temperatu-
rach, elektrolit może przejść do fazy stałej, co powoduje, znaczący spadek ruchliwości jonów
i w efekcie spadek wydajności ogniwa. W wysokich temperaturach elektrolit ciekły zwiększa
swoją objętość, co powoduje problem z uszczelnieniem urządzenia. Konieczne jest zatem
ograniczenie maksymalnej temperatury pracy ogniwa. Zmienna temperatura powoduje także
niestabilność potencjału ogniwa.
2. BARWNIKOWE OGNIWO – JAK TO JEST ZROBIONE?
2.1. Budowa i zasada działania
Konfiguracja i zasada działania ogniwa barwnikowe-go jest odmienna od konwencjonalnego
ogniwa PV - diody półprzewodnikowej. Ogniwo DSSC ma strukturę warstwową (tzw. kanap-
kową) i stanowi układ fotoelektrochemiczny z elektrolitem zawierającym redoksowy media-
tor - schemat budowy barwnikowego ogniwa fotowoltaicznego przedstawiono na rys. 2.
Szczególnie ważnym elementem całego układu jest porowata warstwa tlenkowa o grubości
kilku mikrometrów, która została naniesiona na półprzewodzące, transparentne podłoże (naj-
częściej jest to szkło pokryte cienką warstwa tlenku cyny domieszkowanego fluorem FTO)
[8].
Rys. 2. Schemat budowy barwnikowego ogniwa słonecznego
Najczęściej wykorzystywanym materiałem tlenko-wym jest dwutlenek tytanu (TiO2), chociaż
stosuje się również tlenek cynku (ZnO), niobu (Nb2O5) czy cyny (SnO2) [9] w formie mezo-
porowatej warstwy nanocząstek, nanorurek czy ich kompozytów [10]. Grubość warstwy tlen-
kowej oscyluje w granicach od 5 do 20 μm. Dwutlenek tytanu jest powszechnie stosowany ze
względu na swoje zalety: niską cenę, dostępność, nietoksyczność i biokompatybilność. Zna-
lazł on zastosowanie w takich dziedzinach jak wytwarzanie produktów ochrony zdrowia czy
produkcja farb.
Do powierzchni warstwy tlenkowej przyłączone są molekuły barwnika, tworząc wiązanie
między powierzchniową grupą hydroksylową TiO2, a ugrupowaniem karboksylowym w struk-
turze barwnika [11]. Barwniki stosowane w tego typu ogniwach powinny charakteryzować